[发明专利]一种表面跨尺度复合微造型刀具及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，特别是涉及一种表面涂层跨尺度复合微造型刀具及制备方法。

背景技术

在机械制造领域，由于刀具在加工过程中存在摩擦磨损，故采用涂覆涂层的方式来缓解该问题，涂层作为一个化学屏障和热屏障，涂层刀具的构成减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1级，降低刀具消耗费用20%~50%。

为防止涂层脱落，增强其抗脱粘效果，在基体表面加工出均匀分布为微织构阵列，既扩大了涂层与基体之间的接触面积，增大涂层在基体表面的滑行阻力，同时两种材料之间形成互相“咬合”的几何形态，以上两种效果协同作用，增强了涂层与基体之间的结合强度和基体表面的耐磨性。

激光表面织构技术是利用短脉冲激光照射材料表面，通过气化烧蚀作用去除材料，加工出几何形貌各异的表面微观构造。由于激光加工可控性高，热变形小且不易受干扰，因此，通过该技术制备的表面微织构精度高，形貌一致性好，易在加工表面实现均匀分布。通过该技术加工出来的微米级凹腔在润滑状态下可以充当润滑剂和磨屑的收集器；纳米级沟槽与凹腔相连，基于毛细现象，可以充当润滑剂的导流管，在摩擦副相对运动过程中使其更均匀地分布在内表面，提升润滑效果，减小磨损。

中国专利（申请号CN200910154418.7）公布了“一种具有跨尺度表面织构特征的液体润滑端面密封结构”，它是在机械密封动环或静环的端面加工出毫米级的深槽和微米级的微孔，端面上的微孔可以增强液体的动压效果和节流效果，槽区内的微孔还可以增强液体的泵汲效果，起到改善密封润滑，提高流体膜刚度的作用。该专利织构尺度偏大，在密封环端面油膜厚度较薄，难以形成有效的动压润滑效应。中国专利（申请号CN201611129177.7）公布了“一种混合型表面织构刀具”，它在刀具前刀面分为织构区和未织构区，织构区设置圆/方形凹坑与微沟槽三种混合织构，来提高前刀面的润滑速度，避免边界润滑。该专利一定程度上起到延展润滑膜的作用，但由于三类织构处于互相分离的状态，润滑剂很难做到互相补充，容易导致分配不均，影响减摩效果。机械制造54卷第622期文献公布了《刀具表面微织构设计和切削仿真分析》，它在普通刀具表面加工出线性的微凹坑-微凹槽组合织构，仿真切削结果表明切削力降低，切屑卷曲增大，锯齿切削问题得到缓解，但并非涂层刀具，未验证涂层技术与组合织构的集成增益效果，且沟槽采用微米级，根据毛细管理论，引流、导流、润滑效果都要要比纳米级要弱。

为增强硬质涂层刀具表面的减摩耐磨性能，延长涂层刀具的使用寿命，本发明采用激光微织构技术在涂层刀具基体表面加工微米级凹腔，以及在硬质涂层表面摩擦磨损敏感区域加工出微米级的凹腔和纳米级的沟槽，采取槽连通腔的组合方式分布，得到一种跨尺度复合微造型涂层刀具。此举不仅增强膜-基结合强度，且提高了涂层刀具表面的润湿性能和润滑性能。

发明内容

本发明主要针对涂层刀具膜基结合性能和表面润滑性能的不足，提出了一种表面涂层跨尺度复合微造型刀具及制备方法。采用基体表面织构增大膜基结合面积，提高膜基结合力，涂层表面组合织构提高切削时前刀面的润湿性，这种涂层刀具既具有涂层的隔热、稳定和高耐磨性，又兼备不同尺度微造型表面带来的良好的储屑润滑效果，有效降低切削力和切削温度，延长涂层的磨损周期和涂层刀具的使用寿命。

为实现上述目标，可以通过以下方案解决各项技术问题：

一种表面跨尺度复合微造型刀具，包括刀具材料、涂层，刀具材料表面设有微造型形貌，刀具材料与涂层结合，涂层表面设有复合微造型形貌。所述微造型为凹腔形貌，所述复合微造型包括凹腔、凸起、凹凸复合和沟槽中两种或以上的混合；所述微造型、复合微造型的间距、表面边沿距均大于特征形貌直径。所述微造型为刀具材料表面阵列分布有的微米级凹腔，复合微造型为在涂层表面阵列分布有微米级凹腔、纳米级直线形沟槽与纳米级弧形沟槽，且微米级凹腔中心、纳米级直线形沟槽沿槽向对称线靠刀尖处末端点以及纳米级弧形沟槽尾端中心位于同一条直线上。